科學家們可能有了一種新的方法來窺探物理學的“黑暗世界”。
在一篇新論文中，理論物理學家們表示，他們有了一個尋找理論粒子(這些理論粒子目前為止還沒被觀察到)的新計劃。這些被稱為長壽粒子(LLPs，long-lived particles)的粒子，可能是我們瞭解暗物質和暗能量的一扇窗戶。暗物質和暗能量加起來佔宇宙的95%，暗物質會對普通物質施加引力，而暗能量則被認為是導致宇宙膨脹加速的原因。馬里蘭大學博士後研究員Zhen Liu說，這兩種物質都無法被直接觀測到，因為它們與宇宙發光物質之間的任何相互作用都非常微弱。
Liu還是參與這項新計劃的研究人員之一，他說：“我們無法觀察到它們。”
但LLPs可能會為這個黑暗世界提供一種與光明世界溝通的方式。Liu和他的同事們認為，通過調整世界上最大的原子加速器——瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機(LHC)的一些探測器，物理學家或許能夠找到這些粒子。
平行世界
“黑暗世界”，也被稱為“隱藏區”，裡面描述了一組超越物理標準模型的假想粒子。(標準模型解釋了質子、中子、電子以及所有伴隨它們而來的奇怪亞原子粒子，如夸克、介子、中微子和希格斯玻色子。)
Liu說，如果所有這些“正常”的物質都在一個山谷裡，那麼黑暗世界就在一個山脊旁邊的平行山谷裡。要爬上那座山脊需要耗費大量的能量，所以黑暗世界粒子之間的相互作用非常強烈，但與另一邊山谷裡的粒子卻只有輕微的相互作用。不過有些粒子可能能夠通過一個叫做量子隧穿的過程，從黑暗世界裡穿過這些能量屏障，進入我們通常遇到的那個光明世界。Liu說，這些粒子可能不會是與質子或中子等穩定粒子等價的暗物質粒子，反而可能更類似於更不穩定的標準模型粒子。
研究人員感興趣的就是那些隧穿粒子。但是，芝加哥大學的理論物理學家Liantao Wang說，這些粒子是非常罕見的(如果它們存在的話)。大型強子對撞機以令人目眩的速度相互拋出質子，每秒能夠產生10億次碰撞，這些碰撞將質子粉碎成大量已知的標準模型粒子，但對於尋找“隱藏區”的科學家來說，所有這些粒子全部都是噪音，Wang說，他們感興趣的粒子可能十年才會出現幾次。
一種新方法
4月3日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的這篇新論文的作者是Wang，他和Liu以及他們的同事Jia Liu，該論文提出了一種觀察這些稀有粒子的方法。
一切都取決於時機。Wang說，與大型強子對撞機大量製造的標準模型粒子相比，LLPs粒子應該是巨大而笨重的。Liu說，它們之所以緩慢是因為它們必須克服巨大的能量障礙才能來到普通物質的世界，但是它們蝸牛般的速度對物理學家來說反而是一個有用的特徵。大型強子對撞機中的大多數基本粒子以光速運動並迅速衰變。例如，希格斯玻色子會在10 ^(- 22)秒內消失，衰變成一組更穩定的粒子。
不過LLPs粒子應該可以活得久一些，最多可以到0.1秒，Wang說，它們的速度也比光速慢。因此，調整大型強子對撞機的探測器，以尋找遲一點到達探測器的粒子，應該是探測到它們的關鍵。
Wang說，“這是一個非常簡單的想法，但結果卻令人驚訝地有效。”
Liu說，其中一些調整將隨著大型強子對撞機的升級而自然完成，這次升級目前正在進行當中，升級完之後粒子對撞機將於2021年再次啟用，屆時對撞機的探測器將可以比目前更精確地測量粒子到達探測器的時間。他說，從那以後，只需要對軟件進行一些調整，並確保使用對撞機的實驗物理學家優先考慮搜索工作，大型強子對撞機的能力就能為研究所用。Wang和Liu說，他們現在正和他們的實驗同事進行一系列的會議，以確保每個人的想法都是一致的。
“這會實現的，”Liu說。
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